人工智能在高中科技社團活動中的實踐

李巖 王一凡 趙可忻 馬曉陽

國務院在印發的《新一代人工智能發展規劃》中明確指出：實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。教育部也于2018年1月16日宣布，正式將人工智能寫入高中新課標，并于當年秋季學期開始執行。由此可以看出，高中階段開展人工智能教育，是新時代對基礎教育提出的任務和要求，也是滿足國家意志的教育需要，更是基礎教育的新任務和新擔當。

高中開展人工智能教育的意義

自從《普通中學技術課程標準》頒布以來，人工智能課程已相繼在中學階段開設，人工智能教育在高中落地具有重要的指導與發展意義。首先，人工智能人才培養必須從基礎教育抓起，高中階段實施人工智能教育，既有利于培養具有智能時代信息素養的學生，也能為高等教育人工智能專業人才的培養打下堅實的基礎。其次，高中階段的學生已經具有一定的知識積累和創新思維，針對高中學生開展人工智能教育，能夠進一步培養學生的信息觀念與創新精神，從而提高學生的創造能力與實踐能力。最后，人工智能教育是綜合知識和技能的培養，這對于學生之后的理科、工科學習具有積極的正面影響。在全球都大力發展“人工智能”的背景下，我國在高中階段開展人工智能教學，能夠培養更多的科技創新人才，實現彎道超車，從而最終為國家的發展戰略貢獻相應的科技力量。

高中開展人工智能課程的選擇

教育部在高中課程標準中，將人工智能歸入高中信息技術課程，并制定了相關的標準和依據，明確指出，通過學習能夠讓學生了解人工智能的概念及發展歷程，描述典型人工智能算法的實現過程，并能夠親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程和方法，從而增強學生利用智能技術服務人類發展的能力及責任感。然而，人工智能的科學技術含量較高，尤其是一些算法涉及編程的知識，需要更加深入的學習。因此，考慮到學生的基礎水平和學習興趣具有較大的差異，人工智能教育必須有別于傳統的教學課程，采用分層教學的教育方式。在信息技術課上進行人工智能基礎理論知識的傳授，幫助基礎薄弱和興趣有限的學生了解人工智能的基本概念和發展過程。而針對基礎好、有興趣且善鉆研的學生，則可以通過學校的科技社團來提供學習的平臺，真正給學生搭建起以學生為中心的學習環境，讓學生在解決問題的過程中，成為學習的主導者。通過開設語音識別、圖像識別、機器學習、深度學習等難易適當的課程，幫助學生更深層次地掌握人工智能更高端的技術，從而嘗試自己動手設計和制作人工智能的產品。

高中科技社團中人工智能的實踐

1.科技社團活動介紹

本科技社團隸屬于學校金鵬科技團，由25名來自高一和高二年級對科技創新感興趣的學生構成。這些學生具有一定的編程基礎和動手實踐能力，且有較高的熱情參與到實踐創新中來。社團活動的主要內容涉及虛擬現實（VR）、3D打印和人工智能的相關知識和技能。在之前的社團活動中，以創客教育為主要形式，將學生看作活動的主體，注重激發學生的學習和探究欲望，引導和幫助學生綜合應用所學的技能將自己的創意變為現實，并在各類競賽中取得成績。

人工智能主要包含語音識別、圖像識別、自然語言處理和深度學習等模塊，不同模塊有著不同的作用與內容。本社團選擇了相對易于被學生理解和掌握的語音識別技術作為起始點，向學生重點介紹了語音識別技術的相關知識和內容，引導學生嘗試應用自身所掌握的技能，并結合3D打印技術，探究應用語音識別技術的創新產品設計。

2.人工智能項目選題

北京即將舉辦2022年北京冬季奧運會，各種以“冬奧”為主題的創意設計不斷涌入我們的視線，特別是作為冬奧會吉祥物的冰墩墩，憨態可掬的外形給人們留下了深刻的印象。冰墩墩，象征純潔和堅強，是冬奧會的特點;墩墩，意喻敦厚、健康、活潑、可愛，契合熊貓的整體形象，同時也象征著冬奧會運動員們強健的身體、堅韌的意志和鼓舞人心的奧林匹克精神，還蘊含著中華民族堅韌不拔的民族氣節、民族精神以及源遠流長、博大精深的中華文化。

學生以此為靈感，設計一款可以進行語音交互的冰敦敦玩具，力求將冬奧文化與現代科技相結合，進行創新產品的設計與制造。使用3D打印制作玩具的外殼，內置語音交互模塊，輸入編寫的程序，實現人與冰敦敦的語音交互，從而可以準確了解冬奧會的由來以及冬奧會比賽的日程安排等內容。

3.作品設計與制作過程

（1）冰敦敦外形設計

結合科技社團之前的課程，學生們一致決定使用3D打印來制作冰敦敦的外殼。借助3Done軟件，進行三維設計建模。由于冰敦敦的外形圓潤，所以在設計時多采用曲面彎折的設計。與此同時，為了在內部安裝語音識別單元，對外觀模型進行了抽殼處理，并預留了語音發生孔位。最后，考慮到3D打印機尺寸的限制，將冰敦敦分割為兩個部分，分別進行打印。

外殼打印成型后，學生們使用丙烯涂料為模型上色。冰敦敦頭部裝飾的彩色光環，靈感源自于北京冬奧會的國家速滑館——“冰絲帶”，流動的明亮色彩線條象征著冰雪運動的賽道和5G高科技;左手掌心的心形圖案，代表著我國對全世界朋友的熱情歡迎。涂裝時對顏色的選擇和運用，很大程度上提升了學生的藝術素養，培養了他們的審美情趣。

（2）語音識別與交互

人工智能的語音交互技術是基于語音輸入的新一代交互模式，可以實現人機對話。典型的應用是蘋果手機推出的SIRI和科大訊飛的語點。本產品選用珠海時代電子科技有限公司開發的WEGASUN-M6語音識別模塊與Arduino控制板和音箱連接來實現智能語音交互功能。硬件連接好之后，我們將“你好墩墩”設置為語音控制單元的喚醒指令，并將對話的內容進行語音合成后寫入語音控制單元。

（3）產品組裝與調試

程序寫入語音識別模塊后，將連接好的語音識別模塊、Arduino控制板和音箱放入殼體內的相應位置并固定好。音箱位置需要靠近預設的聲音孔，而為了給內部模塊提供電源，特意在外殼預留了USB插槽，并設計成短尾巴的造型以便與整體外觀融為一體。

組裝完成后，接通電源。對著冰敦敦說：“你好墩墩！”冰敦敦則會回答：“我在呢！”繼續對它說：“請為我們介紹一下冬奧會好嗎？”冰敦敦會向我們介紹冬奧會的歷史。還可以對它說：“能否為我們介紹一下冬奧會的比賽安排？”此時，冰敦敦會告訴我們冬奧會的各個賽事場地和比賽時間的安排。測試表明冰敦敦成功實現了智能語音交互，達到了學生們的設計目標。

4.分享與評價

在與社團其他同學進行交流與分享時，他們非常自豪地向大家介紹了設計的靈感來源與制作過程。他們為這個可愛的“智能語音交互冰敦敦”命名為潔竹，“潔”代表了冰雪的圣潔、典雅;“竹”則體現了熊貓的特性。與此同時，還特別強調了他們在制作過程中遇到問題時是如何通過自主探究和組內討論而有效解決的，并在自我評價表中將自己的學習和實踐過程進行了認真的記錄。

活動總結與展望

科技社團的學生在完成“智能語音冰敦敦”的作品后非常興奮，而且這種興奮是一種持久的體驗。在人工智能教育逐漸普及的今天，學生們為能夠有機會學習和制作人工智能產品而感到非常幸運。而作為教師，必須要改變以往的授課方式，借助先進的人工智能技術來吸引學生主動學習，他們對于全新的人工智能技術充滿著期待，希望能夠深入學習并一展身手。這種期待對于激發學生的學習興趣是非常有益的。

此外，教師在開展人工智能教學活動過程中需要站在學生的視角，關注學生的個性化成長，充分考慮到參加科技社團活動學生的能力差異，并制定更加合理的教學評價體系。通過難度適當的課程設計激發學生學習興趣，引導學生自主式探究，給予學生充分的自由，讓他們能夠在規定的主題內獲取自己感興趣的知識和技能。我們相信，學生在這次社團活動中所收獲的不僅僅是持久的興奮，更多的是對知識持久的掌握，而這恰恰也是教師最大的收獲。

參考文獻

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